X
تبلیغات
.":":". ایران بتن ":":". - استفاده از بتن اليافي در سيستم پوشش تك پوسته ا
 
.":":". ایران بتن ":":".
 
 
WelCome to IranBeton
 

                          استفاده از بتن اليافي در سيستم پوشش تك پوسته اي تونل ها

منبع: fabirco.ir     

                            مهندس مصطفي زمانيان ، دانشگاه صنعتي شريف

                        دکتر سيد حسن صحرانورد ، شرکت ساختماي بتون پاش

 

چكيده

در اين مقاله سعي شده است كه با توجه بيشتر مشكلات ناشي از اجراي پوشش تونل ها به روش سنتي، با ارائه روشهاي نو در حذف اين نقايص تا حد امكان  ضرايب ايمني در مقابل بارهاي زلزله فراهم آيد. در اين مقاله با مصرف شاتكريت اليافي انعطاف پذير بعنوان پوشش اوليه و ثانويه، علاوه بر فائق آمدن به مشكل خوردگي آرماتور در روشهاي سنتي با امكان ترخيص تنش زمين علاوه بر ايجاد اندركنش كامل ميان زمين و پوشش نهايي ، بخش قابل توجهي از بار به خود زمين واگذار مي شود. در پايان با  بررسي سيستم پوشش تک پوسته اي تونل راه آهن دوراهان- لوداب ، مقايسه اي بين سيستم پوشش سنتي و سيستم تك پوسته اي پيشنهاد شده براي اين تونل، بعمل آمده است.

 

واژه هاي کليدي : تونل ، بتن اليافي ،پوشش تک پوسته اي ، پوشش دو پوسته اي

 

1- مقدمه:

امروزه سازه هاي زيرزميني، بخش قابل توجهي از وظيفه نقل و انتقال و نگهداري به عهده گرفته اند با توجه به مدفون بودن اينگونه سازه و اندر كنش موجود در آنها با خاك اطراف، اثر زلزله روي اين سازه ها، خيلي مورد توجه قرار نمي گرفت. با افزايش حجم نقل و انتقال و نگهداري و همچنين كاهش عمق نسبت به سطح زمين (بعضي از موارد خاص) اهميت ايمني در مقابله زلزله در اينگونه سازه هايش از پيش مورد توجه قرار گرفت. در سالهاي اخير با ارائه توصيه ها و آئين نامه مقاوم سازي اينگونه سازه ها در مقابل زلزله گام مهمي در ايمن سازي اينگونه سازه ها برداشته شده است. در اين بين تونلها با توجه به ماهيت سازه اي خطي، گذر از شرايط مختلف زمين شناسي و نقش بسيار مهم آنها در صنعت  نقل و انتقال و ترافيك اهميت ويژه اي پيدا كرده اند.

با وجود رشد سريع تكنولوژي هاي نو در اجرا و ساخت تونل، متاسفانه روش هاي سنتي اجرا و لاينينگ تونل، هنوز در كشور جايگاه خود را حفظ نموده اند. استفاده از سيستم پوشش اوليه نسبتاً صلب مانع از امكان ترخيص تنش زمين با گذشت زمان شده و تنش هاي مخرب بالايي در اين پوشش ها ايجاد خواهد كرد. علاوه بر اين عدم امكان اتصال كامل ميان پوشش اوليه و ثانويه در سيستم هاي سنتي موجب كاهش كارايي اين سيستم در مقابله بارهاي ثانويه زمين و بارگذاري ناشي از زلزله خواهد شد.

2- بارگذاري در تونل

در حالت كلي، در توده هاي سنگي موجود در اعماق زمين، تنش هايي موسوم به تنش هاي درجا اثر مي كنند. عامل اصلي تنش هاي درجا،  وزن طبقات و فعاليتهاي تكتونيكي منطقه مي باشد. سپس از اجراي تونل (يا هر سازه زيرزميني) وضعيت تنشهاي درجا به هم ميخورد. و وضعيت تنش در اطراف حفره، آرايش جديدي پيدا مي كند كه با وظعيت اوليه آن متفاوت است. كه اين تنش ها که حاصل حفر تونل  مي باشند به تنش هاي القايي معروف مي باشند. آگاهي از وضعيت تنش هاي درجا و القايي، از جمله ضرورتهاي اصلي طراحي تونل و ساير سازه هاي زيرزميني است. زيرا در بسياري از موارد، ممكن است اندازه تنش هاي القائي از حد مقاومت سنگ تجاوز كند و در صورت عدم اعمال تمهيدات ، خرابي سازه  را در پي خواهد داشت. علاوه بر شكل و ابعاد تونل، شيوه و سرعت حفر تونل و همچنين مرحله بندي حفر اجزاي مختلف مقطع نيز در آرايش تنش هاي القايي موثراند. و سيستم حفاري بايد بگونه اي طراحي شود كه كمترين ناپايداري را در پي داشته باشد.

با توجه به رفتار خزشي سنگ ها در عمق سازه و در مجاورت با تونل، بارگذاري در روي لاينينگ را مي توان به دو بخش اساسي تقسيم كرد:

-   تنش هاي ناشي از حذف المانهاي سنگ يا خاك درون تونل، كه اين تنش ها را مي توان در كوتاه مدت و بعد از حفاري مقطع كامل تونل در نظر گرفت.

-       تنش هاي ناشي از رفتار خزشي توده سنگ در طولاني مدت و همچنين بارگذاري هاي ناشي از زلزله.

لاينينگ تونل بايد قابليت تحمل هر دو بخش بارگذاري را داشته و پايداري سازه تونل را در طولاني مدت تضمين نمايد.   

 

3- سيستم سنتي پوشش تونل ها

  با توجه به نوع خاص بارگذاري در تونل ها، استفاده از يك لايه پوشش اوليه جهت پايداري اوليه و ممانعت از ريزش کوه هاي سنگي ناپايدار و بالطبع ناپايداري در سازه هاي حفاري شده، ضروري به نظر مي رسد. ضخامت اين لايه رابطه مستقيمي روش حفاري، نوع خاك يا سنگ، سرعت حفاري و امكانات موجود دارد.  پس از حفاري كامل تونل و اجراي لاينينگ اوليه در سازه تونل ايجاد پايداري دراز مدت تونل توسط لاينينگ ثانويه كامل خواهد شد. لاينينگ اوليه عموماً بصورت مش و شاتكريت تر يا خشك مي باشد. و لاينينگ نهايي بسته به نوع خاك يا سنگ منطقه طيفي از انواع ساپورت ها را مي تواند در برگيرد. استفاده از قالب بتن و ميلگرد بعنوان روش مرسومي جهت پوشش ثانويه بكار مي رود. در مواردي كه اين سيستم جوابگو نباشد استفاده از قالب هاي فولادي يا لتيس ها ضروري بنظر مي رسد. در نهايت سيستم پوشش اوليه و نهايي بايد جوابگوي بارگذاري دراز مدت (رفتار خزشي سنگ يا خاك) و نيروهاي ديناميكي ناشي از زلزله باشند. معايب استفاده از پوشش سنگي تونل ها را مي توان بصورت زير دسته بندي كرد:

الف) عدم اتصال كامل ميان لاينينگ اوليه ثانويه و عدم انتقال كامل تنش هاي برشي در اين سطح مشترك، اندركنش كامل بين پوشش اوليه و ثانويه را مختل خواهد ساخت. كه اين عدم امكان اندركنش بين پوشش اوليه و ثانويه موجب افزايش نيروهاي ديناميكي وارد بر پوشش ثانويه در حين زلزله خواهد شد. و بالطبع موجب كاهش كارايي لاينينگ در مقابله با بارهاي استاتيكي و ديناميكي خواهد شد.

 

ب) صلبيت بالاي اين پوشش ها موجب عدم امكان ترخيص تنشهاي موجود در سنگ و ايجاد نيروي مخرب بسيار بالايي در جداره تونل خواهد شد. همچنين بعلت صليبت بالاي اين پوشش ها، در هنگام زلزله نيروهاي زيادي در اين سيستم ذخيره شده و ممكن است آسيبهاي فراواني به آن تحميل نمايد.

 

ج) خوردگي آرماتورهاي موجود در لاينينگ نهايي علاوه بر كاهش مقاومت خمشي پوشش، افت مقاومت بتن را نيز در پي خواهد داشت. بدليل پديده هاي تبادل يوني و كلراسيون در هنگام خوردگي آرماتورها، مقاومت فشاري بتن لاينينگ بطور قابل توجهي كاسته خواهد شد كه اين پديده همراه خوردگي آرماتور  بتن، موجب افت شديد مقاومت لاينينگ تونل مي شود.

 

د) عدم امكان ويبره كامل در هنگام بتن ريزي در قالب با بر جاي گذاشتن حباب هاي هوا درون بتن، علاوه بر افت مقاومت بتن موجب افزايش پتانسيل خوردگي آرماتورها نيز خواهد شد.

 

ﻫ) سرعت اجراي پايين، مشكلات اجرايي فراوان، هزينه هاي بسيار بالا جهت قالب گذاري و بتن ريزي از ديگر معايب روش سنتي به شمار مي روند.

 

4- سيستم پوشش تك پوسته اي تونل

در اين روش با امكان ايجاد اتصال كامل ميان پوشش اوليه و ثانويه، امكان ايجاد پوششي يكپارچه در زمان تحويل لاينينگ نهايي فراهم مي آيد. اتصال كامل ميان لاينينگ اوليه و نهايي در اين روش با كمك مواد افزودني به بتن و جلوگيري از انقباض آن پس از  اجرا فراهم خواهد آمد. استفاده از الياف پليمري با مقاومت كششي بالا علاوه بر كمك به يكپارچگي پوشش تونل مشكلات ناشي از خوردگي آرماتور نيز مرتفع مي سازد. در اين روش پس از حفاري مقطع تونل و شاتكريت اوليه، پوشش ثانويه بصورت شاتكريت روي پوشش اوليه اجرا خواهد شد و پوشش نهايي بصورت مقطعي يكپارچه از دو شاتكريت اوليه و نهايي بدست خواهد آمد. در مقايسه با معايب موجود در سيستم پوشش سنتي تونل ها مي توان موارد زير را بعنوان مزاياي استفاده از سيستم پوشش شات كريت اليافي در پوشش هاي تك پوسته اي نام برد:

 

الف) با توجه به اتصال كامل ميان پوشش اوليه ثانويه امكان انتقال تنش برشي بين پوشش اوليه و ثانويه فراهم آمده و اندركنش بين دو شاتكريت بصورت كامل تامين خواهد شد لذا کاهش ضخامت لايينگ نهايي امکان پذير خواهد بود.

ب) انعطاف پذيري بالاي اين پوشش هاي اليافي امكان جابجايي ناچيز را در قطعات سنگي اطراف تونل و تنش هاي ذخيره شده در آنها را فراهم مي آورد. لذا بخش قابل توجهي از بارگذاري زمين به خود آن واگذار خواهد شد و به تناسب آن مي توان از پوشش كمتري جهت تحمل بارگذاري هاي زمين استفاده كرد.

ج) استفاده از الياف پليمري در شاتكريت اليافي علاوه بر رفع شكل خوردگي آرماتورها، افت هاي مقاومت ناشي از عدم ويبره كامل قالب را نيز برطرف خواهد نمود.

د) امكان اجراي سريع اين گونه پوشش ها با توجه به حذف قالب از اين روش ، از ديگر مزيت هاي پوشش هاي تك پوسته اي به شمار مي رود.

ﻫ ) انعطاف پذيري بالاي اين پوشش ها موجب هماهنگي در تغيير مكان هاي پوشش با حركات زمين شده و از تجمع نيروهاي مخربي كه در پوشش هاي صلب، بعلت مقاومت در مقابل حركات زمين ايجاد مي شد جلوگيري خواهد کرد.

و) ذوب رشته هاي پليمري در هنگام آتش سوزي موجب ايجاد حفرات ريز و به هم پيوسته اي درون پوشش تونل شده و از تجمع هوا و انفجار بتن در هنگام آتش سوزي ممانعت بعمل خواهد آورد.

ز)کاهش چشمگير هزينه ها با توجه به حذف قالب ، حذف آرماتور ، سرعت بالاي اجرا وکاهش ضخامت ها در هر متر طول تونل از مهمترين مزيتهاي اين گونه پوشش ها به شمار مي رود.

 

5- سيستم پوشش جايگزين قطعه دوم راه آهن دوراهان – لوداب

 مسير قطعه دوم دوراهان لوداب از نظر توپوگرافي در حالت كوهستان شديد مي باشد. كه در آن مسير بصورت خاكريزي و خاكبرداري بصورت ترانشه و برجستگي و تيغه هايي وجود دارد كه مستلزم تونلزني مي باشد.

راه اصلي پاتاوه دهدشت ارتباط استانهاي اصفهان و چهال مهال و بختياري و كهكيلويه و بويراحمد را با استان خوزستان تامين مي نمايد و راه اصلي دوراهان – لوداب در دو قطعه، قسمتي از راه اصلي پاتاوه – دهدشت مي باشد. بر اساس داده هاي طبقه بندي انجام شده از توده سنگ با روش RMR، روباره و ساختار زمين شناسي منطقه، پارامترهاي ژئومكانيكي توده سنگ ميزبان، از قبيل پارامترهاي چسبندگي زاويه اصطكاك داخلي و مدول شكل پذيري تعيين شده است، كه طراحي هاي انجام شده با ارائه ضخامت تيپ 35 سانتيمتر در شرايط مختلفي از روباره و مقاومت سنگ ارائه شده است.

 

جدول (5- 1) بحراني ترين مقطع را از نظر روباره و مقاومت سنگ ميزبان نشان مي دهد كه طراحي ها بر اساس اين مقطع صورت پذيرفته است.

 

 
 

پارامتر

 
 


RMR

روباره m

E(GPa)

C(KPa)

(deg)

توده سنگ

 

توده سنگ

 

31

116

1.58

150

20

 

پارامتر

 
جدول (5-1) پارامترهاي ژئومكانيكي توده سنگ ميزبان

 

 

قابل توجه است كه حفاري اين تونل بصورت دو مقطعي با گام هاي حفاري 2 متر در نظر گرفته شده است.

 

 

 

 

با توجه به گام حفاري 2 متري و عرض دهانه 5.8 متري در حفاري بخش فوقاني با استفاده از منحني پانه مي توان مقدار تغيير مكان ديواره به حداكثر تغيير مكان را  پس از شاتكريت اوليه محاسبه نمود.

  

بنابراين مراحل مدلسازي حفاري و نصب پوشش در تونل و درصد اعمال بار براي مدل  به صورت زير مي باشد:

فاز 1: حذف المانهاي داخل مرز حفاري بخش فوقاني و آزاد سازي- نيروهاي نامتعادل گرهي

فاز 2: فعال سازي المانهاي پوشش در بخش فوقاني تونل و آزاد سازي ما بقي نيروهاي نامتعدل گرهي

فاز 3: حذف المانهاي داخل مرز حفاري بخش تحتاني و آزاد سازي- نيروهاي نامتعادل گرهي

فاز 4: فعال سازي المانهاي پوشش در بخش تحتاني

با توجه به حداكثر تغيير مكان  بدست مي توان مقدار ترخيص تنش را در اثر حفاري بخش فوقاني بدست آورد. با استفاده از محاسبات انجام شده براي تحليل پايداري لاينينگ اوليه 15 سانتي متري  توسط نرم افزار Plaxis v.7.2  ، مقادير تغيير مكان افقي و قائم مطابق با  جدول (5-3) بدست آمد.

 

فاز حفاري

محل مورد نظر

تغيير مکان ماکزيمم(mm)

41% درصد تغيير مکان ماکزيمم(mm)

درصد اعمال بار

بخش فوقاني تونل

تاج

15

6.2

61%

بخش فوقاني تونل

ديواره

11

4.5

61%

جدول 5-3 .درصد اعمال بار در مراحل مختلف بار گذاري

مقادير نيروي برشي ، لنگر خمشي و نيروي فشاري حداكثر در لايينگ اوليه   پس از پايان فاز دوم تحليل در جدول (6-4) نمايش داده شده اند.

جدول (5-4) نيروي پوشش براي مدل تونل

نيروهاي مربوط به مدل

M(KN-m)

V(KN)

P(KN)

پس از شاتكريت مقطع

69/3

58/2

2290

0/0

04/28

1661

38/7

82/9

1882

تحليل لرزه اي تونل نيز با استفاده از نرم افزار SAP 2000 v.9 و اعمال اعوجاج حداكثر 00035.0 انجام شده است.پارامترهاي انتخابي جهت تحليل لرزه اي در جدول 5-5 ارائه شده اند.

 

 

جدول (5-5) پارامترهاي انتخابي براي تحليل لرزه اي تونل

حداكثر شتاب زمين در عمق احداث سازه (PGA)

0.2 g

حداكثر سرعت ارتعاشي زمين در عمق احداث سازه (PGV)

26 cm/s

بزرگي زلزله قابل انتظار (Mw)

5.7

سرعت انتشار موج برشي (Cs)

498 m/s

 

نتايج تحليل ديناميكي پوشش نهايي در شرايط مختلف بارگذاري  يز در جدول 5-6  ارائه شده است.

 

 

 

 جدول (5-6) نتايج تحليل ديناميكي پوشش نهايي در شرايط مختلف بارگذاري

بار گذاري

(ton)

(ton.m)

(ton)

نتيجه

كنترل مقاطع بحراني خمش در تركيب بار

1.3D+1.4Rock+1.4EQ

39.44

12.74

---

OK

كنترل مقاطع بحراني نيروي محوري در تركيب بار

1.3D+1.4Rock+1.4EQ

65.29

8.05

---

OK

كنترل مقطع بحراني برش در تركيب بار 1.3D+1.4Rock+1.4EQ

 

---

---

5.6

OK

كنترل مقاطع بحراني خمش در تركيب بار

1.3D+1.4SymmetricRock+1.4EQ

103.97

7.27

---

OK

كنترل مقاطع بحراني نيروي محوري در تركيب بار

1.3D+1.4SymmetricRock+1.4EQ

111.5

4.31

---

OK

كنترل مقطع بحراني برش در تركيب بار

1.3D+1.4SymmetricRock+1.4EQ

---

---

6.69

OK

 

 

 

 

 

 

.6جمع بندي و نتيجه گيري:

کنترل شاتکريت اوليه براي نيروها و لنگرهاي ايجاد شده در بدترين مقطع از لحاظ خصوصيات سنگ و روباره بيانگر کافي بودن 15 سانتي متر شاتکريت اليافي براي لاينينگ اوليه مي باشد . و چون سطح پوشش اوليه زير بوده و همچنين پوشش نهايي به وسيله تکنيک بتن پاشي با فشار زياد روي شات کريت اوليه پاشيده مي شود مي توان پوشش نهايي را يک مقطع يکپارچه در نظر گرفته و تحليل کرد . عدم استفاده از مصالح آب بند بين پوشش اوليه و ثانويه نيز دليلي ديگر بر اثبات اين مدعا مي باشد . با توجه به تحليل هاي انجام شده ضخامت 15 سانتي متر براي پوشش اوليه پيشنهاد شده است و با توجه به نتايج آناليز انجام شده مي توان ديد که استفاده از 15 سانتيمتر شاتکريت اليافي ضرايب اطمينان بالايي را در مقابل برش و خمش ايجاد خواهد کرد از اينرو استفاده از ضخامت هاي کمتر در پوشش اوليه، کاملاً منطقي به نظر مي رسد .

لاينينگ نهايي که شامل خود لاينينگ اوليه نيز مي باشد ، تحليل استاتيک و ديناميکي شده است. لازم به ذكر است كه مقاومت بتن مورد استفاده در اين محاسبات kg/cm2 200 مي باشد، در صورتي كه بتن اليافي مورد استفاده داراي kg/cm2 250 خواهد بود. علاوه بر اين از مقاومت هاي كششي و برشي بالاي بتن اليافي در مقايسه با بتن معمولي نمي توان صرفنظر كرد. به عبارت ديگر با توجه به ضرايب اطمينان بسيار بالاي بكار رفته در اين تحليل، مقدار ضخامت نهايي 35 سانتي متر بتن اليافي علاوه بر كفايت در برابر بارهاي استاتيكي و ديناميكي ضريب اطمينان بسيار بالايي در اجرا ايجاد خواهد نمود.

در مجموع به نظر مي رسد که استفاده از بتن اليافي براي پوشش هاي موقت و کم ميلگرد از نظر مقاومتي و صرفه جويي در مصرف بتن و در نتيجه سرعت اجرا  بسيار توجيه پذير است . در حالت پوشش نهايي در برابر بارهاي دراز مدت به علت استفاده از ميلگرد سازه اي زياد در بتن مسلح ظرفيت ها به هم نزديکتر    مي شود ولي بازهم بتن اليافي به ضخامت کمتري نياز دارد . البته بايد به دو نکته در حالت باربري دراز مدت توجه داشت . اول اينکه به علت مصرف بيشتر ميلگرد در بتن مسلح معمولي توجيه اقتصادي بتن اليافي بهتر مي شود و دوم و مهمتر اينکه دوام و عمر مفيد بتن اليافي بسيار بيشتر از بتن معمولي است اين مسأله خصوصاً در سازه هاي زير زميني که در معرض آب و رطوبت و خوردگي بيشتر قرار دارند اهميت بسياري دارد . علاوه بر موارد فوق بتن هاي اليافي در برابر بارهاي ديناميکي مانند زلزله ، سايش و ضربه نيز به علت خصوصيات جذب انرژي مناسب عملکرد بسيار مناسب تري از خود نشان داده اند . اين مساله در تغيير  مد خرابي اين سازه ها نيز بسيار موثر بوده است به طوري که به راحتي  مي توانند خواص شکل پذيري که با افزودن ميلگرد فشاري در مقطع تأمين مي شود را بدون هيچ تغييري به وجود آورد.
 
  بالا